【正文】 .....................................................................41 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................42 致謝 .....................................................................................................................44 附錄 1 文獻(xiàn)綜述 ................................................................................................45 附錄 2 開題報(bào)告 ................................................................................................51 附錄 3 中期報(bào)告 ................................................................................................58 附錄 4 英文文獻(xiàn)翻 譯 ........................................................................................70 附錄 5 英文文獻(xiàn)原文 ........................................................................................72 章 1章 緒論 1 第 1章 緒論 直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在 19世紀(jì)先后誕生。隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié) 調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)己表明，它在控制性能方面完全可以和直流傳動(dòng)相媲美，并已在大多數(shù)場(chǎng)合取代了直流傳動(dòng)系統(tǒng) [1]。 課題研究的背景及意義 二十世紀(jì)中期以來，全球范圍內(nèi)的能源消費(fèi)量大幅增長，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界第二大能源消費(fèi)國，能源消費(fèi)總量約占世界能源消費(fèi)總量的 11％。與此同時(shí)，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與能源約束的矛盾也日益突出，能源價(jià)格一路攀升，許多行業(yè)都受到了不同程度的影響。而且，我國能源利用的質(zhì)量很低，能源浪費(fèi)情況嚴(yán)重。一次能源轉(zhuǎn)換電能的比例和電力占終端能源消費(fèi)的比例過低，作為能源消耗大國之一，在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。 在用電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)為主要的動(dòng)力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)方面。我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá) 4億千瓦，年耗電量達(dá) 6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的 80％，成為用電量最多的電氣設(shè)備。我國各類應(yīng)用電機(jī)中交流電動(dòng)機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動(dòng)機(jī)加以利用的， 80％以上為 ~220KW以下的中小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，可見交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 [2]。但是在如此龐大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模 中，未經(jīng)變頻調(diào)速控制的交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)如此之多，這樣所造成的能源浪費(fèi)就大得驚人，由此可見，提高能源的有效利用率在我國已經(jīng)顯得非常迫切。因此，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面將有很大的發(fā)展空間，所以感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場(chǎng)需求。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動(dòng)機(jī)具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。所以需要高性能的交流調(diào)速理論和技術(shù)才能滿足當(dāng)今 的調(diào)速要求，但是感應(yīng)電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，矢量控制應(yīng)運(yùn)而生，矢量控制以磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制 [4]。自 20世紀(jì) 70年代至今，矢量控制理論及應(yīng)用技術(shù)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展和實(shí)踐，形成了當(dāng)今在工業(yè)生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 矢量控制發(fā)展現(xiàn)狀 歐洲是矢量控制技術(shù)的誕生地，其研究水平 一直走在世界的前列。在 80年代中期到 90年代初期的歐洲電力電子會(huì)議 (EPE)論文集中，涉及到矢量控制的論文占有很大比例，在這當(dāng)中，德國 SIEMENS公司、 Aachen技術(shù)大學(xué)電力電子和電氣傳動(dòng)研究院和德國 Braunchweig技術(shù)大學(xué) 、 ，在應(yīng)用微處理器的矢量控制研究中取得了許多重大進(jìn)展，促進(jìn)了矢量控制的實(shí)用化。 矢量控制核心理論的提出與以 DSP為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進(jìn)步，并 輔以現(xiàn)代控制理論，這幾大因素的結(jié)合給電氣傳動(dòng)領(lǐng)域帶來了深刻的變革。數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的高速運(yùn)算能力使矢量控制尤其是 1983年 (Sensorless Vector Control， SVC)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，這就為性能更優(yōu)的 SVC方案的實(shí)施提供了物質(zhì)保證。而 IGBT的進(jìn)一步發(fā)展也為 SVC的應(yīng)用提供了更好的舞臺(tái)， IGBT除了提高功率器件的開關(guān)速度， IGBT還允許迅速地調(diào)整電機(jī)的工作電壓。這使帶寬相當(dāng)高的無速度矢量控制成為可行，并能快速、高精度章 1章 緒論 3 地控制轉(zhuǎn)速 (velocityprofiling)與定位。 SVC的實(shí)現(xiàn)吸引了產(chǎn)業(yè)界人士的廣泛關(guān)注， ToshibaGE、 Yaskawa等公司于 1987年分別發(fā)表了研究成果， 95年后，Siemens、 Yaskawa、 ToshibaGE、 Rockwell、 Mistubishi、 Fuji等知名公司紛紛推出自己的 SVC控制產(chǎn)品，控制特性也在不斷提高，無速度傳感器矢量控制向高性能通用變頻器邁出了一大步。 進(jìn)入 20世紀(jì)以來，矢量控制的研究仍在如火如荼地進(jìn)行，德國、日本和美國依然走在世界的前列，但這三個(gè)國家各有千秋。日本在研究無速度傳感器方面 較為先進(jìn)，主要應(yīng)用于通用變頻器上：美國的研究人員在電機(jī)參數(shù)識(shí)別方面研究比較深入，并且將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等一些最新的控制技術(shù)應(yīng)用到這方面，在 IEEE的會(huì)議和期刊上發(fā)表了許多文章。而德國在將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于大功率系統(tǒng)方面的實(shí)力很強(qiáng)， SIEMENS公司已開始將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動(dòng)電力機(jī)車等兆瓦級(jí)功率場(chǎng)合。隨著具有強(qiáng)大處理能力的數(shù)字信號(hào)處理器的推出，實(shí)現(xiàn)該控制方式所需要的高魯棒性、自適應(yīng)的參數(shù)估計(jì)以及非線性狀態(tài)觀測(cè)成為可能，新的無速度傳感控制方案不斷推出 Siemens、 Yaskawa、 Toshiba GE、 Rockwell、 Mistubishi、 Fuji等知名公司紛紛推出自己的 SVC控制產(chǎn)品 (本文所指 SVC均針對(duì)感應(yīng)電機(jī) )，控制特性也在不斷提高。 SVC目前已在印刷、印染、紡機(jī)、鋼鐵生產(chǎn)線、起重、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，在高性能交流驅(qū)動(dòng)中占有愈來愈重要的地位，Mitsubishi公司的高級(jí)磁通矢量控制代表了最新的無速度傳感器控制技術(shù)，西門子公司的 SE6300、 Mitsubishi公司的 A7 FUJI公司的 VG7S、安川公司的 G艾默生公司 EV6000、科比公司 COMBIVERTF5等均為無速度傳感器矢量控制變頻的典范，在世界上處于領(lǐng)先地位。 國內(nèi)森蘭、匯川、英威騰、普傳等公司也相繼推出了高性能矢量變頻器，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。上海艾帕電力電子公司更是率先開發(fā)出無速度傳感器控制的高性能級(jí)聯(lián)式高壓變頻器。作為國內(nèi)最大的變頻器制造商，森蘭從做 V/f控制的變頻器開始，逐燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 步完善 和提高變頻技術(shù)，通過多年的技術(shù)實(shí)踐，積累和對(duì)國外先進(jìn)技術(shù)的消化吸收，已經(jīng)能夠開發(fā)出具有先進(jìn)水平轉(zhuǎn)子磁鏈定向，磁通觀測(cè)采用自校正算法的矢量控制變頻器，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)和力矩的完全解耦，做到 1HZ200%額定轉(zhuǎn)矩，即使在零頻也有 100%轉(zhuǎn)矩。如 SB80系列變頻器。由此可見，盡管國內(nèi)與國外變頻技術(shù)上相比還有差距，但已經(jīng)縮小了 [4]。 矢量控制發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)在，有無采用無速度傳感器技術(shù)已經(jīng)成為高性能通用變頻器和一般變頻器的分水嶺。交流驅(qū)動(dòng)器開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)是如何將驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)有機(jī)地結(jié)合在一起，開發(fā)出更低成本、高可靠性、高性 能 “驅(qū)動(dòng)模塊 ”?；谶@一思路，為進(jìn)一步減小成本、提高可靠性，電機(jī)相電流傳感器進(jìn)行了深入的研究，開發(fā)人員在如何省去軸側(cè)傳感器以及特別是高性能無速度傳感器矢量控制(svc)的實(shí)現(xiàn)吸引了各國研發(fā)人員的廣泛關(guān)注，并已成為未來驅(qū)動(dòng)控制研究的熱點(diǎn) [3]。 在未來無速度傳感器的矢量控制的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)一步提高，在逆變器、電機(jī)的模型、電機(jī)的磁路飽和、繞組肌膚效應(yīng)、逆變器的非線性和參數(shù)的變化方面還要進(jìn)一步的研究，在更精確的電機(jī)模型基礎(chǔ)上低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小，穩(wěn)定精度進(jìn)一步提高，對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)響應(yīng)更快，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng) 。未來的發(fā)展還體現(xiàn)在高速處理器和外設(shè)上。此外，無速度傳感器矢量控制方式下的多機(jī)運(yùn)行以及在高功率低速運(yùn)行的應(yīng)用也將成為未來的發(fā)展方向。 現(xiàn)代一些技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)著交流調(diào)速技術(shù)的快速前進(jìn)。電力電子技術(shù)為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；微處理器和數(shù)字信號(hào)處 理器技術(shù)為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用提供了重要的技術(shù)手段和保證； PWM控制技術(shù)具有輸出接近正弦波和輸入功率因數(shù)高的特點(diǎn)，對(duì)于交流調(diào)速是極為難得，它有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，改善性能和提高效率，該技術(shù)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的核心技術(shù)之一。 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要控制策略 目前為止， 關(guān)于交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略大體可分為基于穩(wěn)態(tài)模型的控章 1章 緒論 5 制策略和基于動(dòng)態(tài)模型的控制策略。 基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻控制 變壓變頻控制以電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程為推導(dǎo)基礎(chǔ)，以控制電機(jī)的氣隙磁通幅值恒定為目標(biāo)，具有控制簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)性能指標(biāo)在大多數(shù)場(chǎng)合都能滿足需求等特點(diǎn)，目前市場(chǎng)上通用變頻器大多采用這種方式。但開環(huán)的變壓變頻控制并不能真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩控制 [2][3][13]。 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此保持磁通恒定也只在 穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場(chǎng)合，而在要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程中，電動(dòng)機(jī)除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。由于這些方法只依據(jù)穩(wěn)態(tài)模型，只能按電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行控制，不能控制任意兩個(gè)磁場(chǎng)的大小和相對(duì)位置，故轉(zhuǎn)矩控制性能差。交流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，彼此相對(duì)靜止，要控制轉(zhuǎn)矩，必須控制兩磁場(chǎng)的大小和相對(duì)位置。要改善轉(zhuǎn)矩控制性能，必須對(duì)定子電壓或電流實(shí)施矢量控制，既控制大小，又控制方向。因 此如何在動(dòng)態(tài)過程中控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。 基于動(dòng)態(tài)模型的控制策略 要獲得高動(dòng)態(tài)性能，必須依據(jù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，其輸入變量是定子電壓和頻率，輸出變量是轉(zhuǎn)速和磁鏈。因此必須對(duì)模型進(jìn)行解耦。 矢量控制策略 1971年，德國西門子公司的 F． Blaschke提出異步電機(jī)的矢量控制技術(shù)，使交流調(diào)速控制理論獲得了第一次質(zhì)的飛躍。矢量控制技術(shù)以經(jīng)過 3/2坐標(biāo)變換的電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型為基礎(chǔ)，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解 耦，使得交流電機(jī)在理論上能像直流電機(jī)一樣分別對(duì)勵(lì)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 磁分量與轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制技術(shù)使高性能交流調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，使其獲得了巨大的發(fā)展空間。但是，矢量控制需要確定轉(zhuǎn)子磁鏈的具體位置，同時(shí)為了使電機(jī)工作在合理的工作狀態(tài)下，磁鏈幅值也必須加以控制。而磁鏈一般不直接檢測(cè)，因此在矢量控制系統(tǒng)中用電機(jī)參數(shù)計(jì)算出磁鏈的位置角或利用磁鏈觀測(cè)器觀測(cè)磁鏈。這些方法都與電機(jī)參數(shù)有關(guān)，而在電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著環(huán)境溫度和勵(lì)磁條件的變化，在一定范圍變動(dòng)。這將嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了解決這類問題，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，如模型參考自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波等，對(duì)電機(jī)參數(shù) (定、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等 )進(jìn)行動(dòng)態(tài)辨識(shí)?？刂破骼贸跏蓟膮?shù)進(jìn)行在線校正并不困難，真正的難點(diǎn)是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)如何利用電機(jī)參數(shù)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行正確跟蹤。很多學(xué)者提出了各種各樣的矢量控制方案，例如，有人提出在低速采用間接矢量控